نورس الحياة
الاداره العامه
-
- إنضم
- 9 يوليو 2012
-
- المشاركات
- 16,486
-
- مستوى التفاعل
- 1,137
-
- النقاط
- 0
-
- العمر
- 49
الخلايا الكتروليتية ( تحليلية ) :Electrolytic Cells
وتعرف بأنها "أنظمة يتم فيها تحويل الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية لإحداث تفاعلات أكسدة واختزال ما كانت لتتم بشكل تلقائي ومستمر"
مقدمة:
وتتكون الخلية الالكتروليتية ( خلية التحليل الكهربائي ) بشكل مبسط من وعاء يحتوي على الكتروليت ( محلول أو مصهور ) ، به قطبان ( من مواد موصلة ) يتصل أحدهما بالطرف السالب للمصدر الكهربائي ( ويمثل قطب الكاثود ) حيث تتجه إليه الكاتيونات وتحدث عنده عملية الاختزال ، بينما يتصل القطب الآخر ( الانود ) بالطرف الموجب للمصدر الكهربائي ، حيث تتجه إليه الأنيونات
وتحدث عنده عملية الأكسدة ، ووظيفة القطبين إدخال الإلكترونات إلى الخلية أو إخراج الإلكترونات منها ، وقد تشارك في التفاعلات الحادثة أو لا تشارك فيها فتسمى في هذه الحالة بالأقطاب الخاملة من مثل البلاتين والجرافيت ( الكربون ) .
ونتيجة لمرور التيار في هذه الخلايا يتم تحليل المادة الالكتروليتية إلى مواد أبسط منها ، لذا تسمى هذه الخلايا بخلايا التحليل الكهربائي . والتحليل الكهربائي يمكن أن يحدث لمصاهير أو محاليل المواد الالكتروليتية.
وبالتالي فإن مكونات الخلية الالكتروليتية :
1- مصدر للتيار الكهربائي ( مولد - بطارية )
2- قطبين وأسلاك للتوصيل
3- موصل إلكتروليتي ( محلول أو مصهور )
الموصلات الالكتروليتية :
كما تم ذكره فإن الموصلات الالكتروليتية تقسم إلى قسمين :
- مصاهير الالكتروليتية: وهي المصاهير التي تحتوي على كاتيونات وأنيونات حرة الحركة وتكون عادة مصاهير أملاح أو مصاهير أكاسيد أو هيدروكسيدات الفلزات.
- محاليل الالكتروليتية: وهي المحاليل المائية التي تحتوي بالإضافة إلى الماء كاتيونات وأنيونات حرة الحركة وتكون عادة محاليل أحماض أو قلويات أو أملاح .
مقارنة بين التحليل الكهربائي للمصاهير الالكتروليتية وبين المحاليل الالكتروليتية :
التحليل الكهربائي للمصاهير الالكتروليتية :
عند صهر مركب الالكتروليتي فإنه يتفكك إلى كاتيونات (Mm) وأنيونات (An)حركة الحركة:
مثال:
[shr71=http://www.bytocom.com/golden/images/92.jpg]null[/shr71]
[shr71=http://www.bytocom.com/golden/images/93.jpg]null[/shr71]
وعند وضع أقطاب موصلة بمصدر خارجي للتيار وتحت تأثير فرق الجهد فإن الكاتيونات سوف تتجه نحو القطب السالب ( الكاثود) وتحدث لها عملية الاختزال، والأنيونات تتجه نحو القطب الموجب ( الانود ) وتحدث لها عملية الأكسدة.
على أن يكون الجهد المطبق من البطارية أو المولد أكبر من جهد التفاعل الكلي الذي يحدث في الخلية.
النتيجة : عند التحليل الكهربائي للمصاهير الالكتروليتية يكون:
عند الانود ( + ): الأنواع الموجودة والمتحمل أكسدتها هي الأنيونات.
عند الكاثود ( - ): الأنواع الموجودة والمحتمل اختزالها هي الكاتيونات.
التحليل الكهربائي للمحاليل الالكتروليتية:
عند إذابة مادة الكتروليتية في الماء فإنها إما أن تتأين أو تتفكك إلى كاتيونات وأنيونات حرة الحركة كما في المصهور وتحت تأثير فرق الجهد تتجه الايونات نحو الأقطاب المخالفة لها بالشحنة.
ومنه :
عند الانود ( +) الأنواع الموجودة والمحتمل أكسدتها هي:
1- الأنيونات 2- الماء 3- مادة القطب
وتحدث الأكسدة للنوع الأقل في جهد الاختزال أولا.
عند الكاثود ( - ) الأنواع الموجودة والمحتمل اختزالها هي:
1- الكاتيونات 2- الماء
ويحدث الاختزال للنوع الأكبر في جهد الاختزال أولا.
ومنه هنا لا بد من دراسة أكسدة الماء واختزال الماء.
ملاحظة1:
تكون حركة الايونات نحو الأقطاب المخالفة لها بالشحنة في المنطقة القريبة جدا من القطب اما الايونات الأبعد فتتحرك حركة عشوائية بتأثير الانتشار من التركيز الأعلى إلى التركيز الأقل.
ملاحظة 2 :
عند التحليل الكهربائي للمصاهير الالكتروليتية:
عند الانود لم يذكر احتمال أكسدة مادة القطب لأنه في مثل هذه الخلايا تكون مادة القطب خاملة ( أي ذات جهد اختزال مرتفع (مثل الجرافيت أو البلاتين).
ملاحظة 3 :
عند التحليل الكهربائي للمحاليل الالكتروليتية:
عند الكاثود لم يذكر احتمال اختزال مادة القطب لان مادة القطب لا بد أن تكون من فلز يوصل التيار الكهربائي ويكون عادة من الفلز والتي يصعب اختزاله فالاختزال يتم لكاتيونات الفلز.
أكسدة الماء :
تحدث عند الانود ( + ) إذا كان جهد اختزال الماء اقل من جهود الاختزال للأنواع الأخرى الموجودة:
ولحساب جهد اختزال التفاعل السابق يكتب:
[shr71=http://www.bytocom.com/golden/images/95.jpg]null[/shr71]
ومن معادلة نرنست وفي حالة الماء المقطر وعند درجة حرارة 25°C والضغط 1atm يكون تركيز كاتيون الهيدرونيوم
تركيز M= [H3O+]= 1×10-7 mol/L وجهد التفاعل القياسيE°= 1.229V
[shr71=http://www.bytocom.com/golden/images/96.jpg]null[/shr71]
[shr71=http://www.bytocom.com/golden/images/97.jpg]null[/shr71]
[shr71=http://www.bytocom.com/golden/images/98.jpg]null[/shr71]
[shr71=http://www.bytocom.com/golden/images/99.jpg]null[/shr71]
ومن معادلة نرنست نلاحظ أن جهد اختزال الماء في الوسط المتعادل اقل من جهد جهد اختزال الماء في الوسط الحمضي عندما يكون تركيز كاتيون الهيدرونيوم 1M أي أن أكسدة الماء في الوسط الحمضي أصعب من أكسدة الماء في الوسط المتعادل.
وعند أكسدة الماء يتصاعد غاز الأكسجين ويزداد تركيز كاتيون الهيدرونيوم وبالتالي يصبح الوسط حمضي .
اختزال الماء :
يحدث عند الكاثود إذا كان جهد اختزال الماء اكبر من جهود الاختزال للأنواع الأخرى الموجودة:
[shr71=http://www.bytocom.com/golden/images/100.jpg]null[/shr71]
أو
[shr71=http://www.bytocom.com/golden/images/101.jpg]null[/shr71]
ومن السابق فإن جهد الاختزال القياسي لكاتيون الهيدروجين :
[shr71=http://www.bytocom.com/golden/images/102.jpg]null[/shr71]
يساوي = الصفر في الشروط القياسية عند ضغط 1atm ودرجة حرارة 25 مئوية، وتركيز الهيدروجين = 1M
وفي الوسط المتعادل عندما يكون تركيز كاتيون الهيدرونيوم يساوي 1 × 10-7 مولار تصبح معادلة نرنست:
[shr71=http://www.bytocom.com/golden/images/103.jpg]null[/shr71]
[shr71=http://www.bytocom.com/golden/images/104.jpg]null[/shr71]
[shr71=http://www.bytocom.com/golden/images/105.jpg]null[/shr71]
ومنه نلاحظ أن اختزال الماء في الوسط المتعادل أسهل من اختزاله في الوسط القلوي لان جهد اختزاله في الوسط المتعادل اكبر ويساوي الصفر.
عند اختزال الماء :
يتصاعد غاز الهيدروجين ويزداد تركيز أنيون الهيدروكسيد أي أن الوسط يصبح قلوي .
العوامل التي تتوقف عليها أولوية تفاعلات الأكسدة والاختزال في المحاليل المائية :
1- جهد الاختزال القطبي للأنواع الموجودة كما تم مناقشته سابقا.
عند الكاثود توجد الكاتيونات والماء ويحدث الاختزال للنوع الأكبر في جهد الاختزال القطبي أولا .
ومثال على ذلك عند التحليل الكهربائي لأحد أملاح الصوديوم فإن الذي يختزل هو الماء لان جهد اختزاله اكبر وبالتالي لا يمكن الحصول على الفلزات التي جهود اختزالها أقل من الماء بالتحليل الكهربائي لمحلول أحد أملاحها .
وعند الانود توجد الأنيونات والماء ومادة القطب وتحدث الأكسدة للنوع الأقل في جهد الاختزال القطبي أولا .
مثال عند التحليل الكهربائي لمحلول كبريتات النحاس II باستخدام أقطاب من النحاس فإن الذي يتأكسد هو النحاس القطب (لان له اقل جهد اختزال ).
2- نوع مادة القطب:
عند تغير نوع مادة القطب قد تؤثر على جهود الاختزال القطبية للأنواع الأخرى مثال على ذلك عند التحليل الكهربائي لمحلول كلوريد الصوديوم المشبع باستخدام الجرافيت كاثود الذي يختزل هو الماء لكن باستخدام الزئبق كاثودا تختزل كاتيونات الصوديوم ويتكون مملغم الصوديوم وسوف تتم دراستها بالتفصيل في تطبيقات على الخلايا الالكتروليتية.
3 - التركيز:
من معادلة نرنست:
بزيادة تركيز الكاتيونات عند الكاثود فان قيمة جهد اختزاله تزداد وبالتالي فإن عملية اختزالها تصبح أسهل
وبزيادة تركيز الأنيونات عند الانود فإن قيمة جهد اختزالها تقل وبالتالي فإن عملية أكسدتها تصبح أسهل.
[shr71=http://www.bytocom.com/golden/images/106.jpg]null[/shr71]
4 - درجة الحرارة :
كما تمت مناقشته في اثر الحرارة على التوصيل الالكتروليتي فإنه بارتفاع درجة الحرارة ومن معادلة نرنست والتغير في الطاقة الحرة مما يقل من جهد التفاعل .
وتعرف بأنها "أنظمة يتم فيها تحويل الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية لإحداث تفاعلات أكسدة واختزال ما كانت لتتم بشكل تلقائي ومستمر"
مقدمة:
وتتكون الخلية الالكتروليتية ( خلية التحليل الكهربائي ) بشكل مبسط من وعاء يحتوي على الكتروليت ( محلول أو مصهور ) ، به قطبان ( من مواد موصلة ) يتصل أحدهما بالطرف السالب للمصدر الكهربائي ( ويمثل قطب الكاثود ) حيث تتجه إليه الكاتيونات وتحدث عنده عملية الاختزال ، بينما يتصل القطب الآخر ( الانود ) بالطرف الموجب للمصدر الكهربائي ، حيث تتجه إليه الأنيونات
وتحدث عنده عملية الأكسدة ، ووظيفة القطبين إدخال الإلكترونات إلى الخلية أو إخراج الإلكترونات منها ، وقد تشارك في التفاعلات الحادثة أو لا تشارك فيها فتسمى في هذه الحالة بالأقطاب الخاملة من مثل البلاتين والجرافيت ( الكربون ) .
ونتيجة لمرور التيار في هذه الخلايا يتم تحليل المادة الالكتروليتية إلى مواد أبسط منها ، لذا تسمى هذه الخلايا بخلايا التحليل الكهربائي . والتحليل الكهربائي يمكن أن يحدث لمصاهير أو محاليل المواد الالكتروليتية.
وبالتالي فإن مكونات الخلية الالكتروليتية :
1- مصدر للتيار الكهربائي ( مولد - بطارية )
2- قطبين وأسلاك للتوصيل
3- موصل إلكتروليتي ( محلول أو مصهور )
الموصلات الالكتروليتية :
كما تم ذكره فإن الموصلات الالكتروليتية تقسم إلى قسمين :
- مصاهير الالكتروليتية: وهي المصاهير التي تحتوي على كاتيونات وأنيونات حرة الحركة وتكون عادة مصاهير أملاح أو مصاهير أكاسيد أو هيدروكسيدات الفلزات.
- محاليل الالكتروليتية: وهي المحاليل المائية التي تحتوي بالإضافة إلى الماء كاتيونات وأنيونات حرة الحركة وتكون عادة محاليل أحماض أو قلويات أو أملاح .
مقارنة بين التحليل الكهربائي للمصاهير الالكتروليتية وبين المحاليل الالكتروليتية :
التحليل الكهربائي للمصاهير الالكتروليتية :
عند صهر مركب الالكتروليتي فإنه يتفكك إلى كاتيونات (Mm) وأنيونات (An)حركة الحركة:
مثال:
[shr71=http://www.bytocom.com/golden/images/92.jpg]null[/shr71]
[shr71=http://www.bytocom.com/golden/images/93.jpg]null[/shr71]
وعند وضع أقطاب موصلة بمصدر خارجي للتيار وتحت تأثير فرق الجهد فإن الكاتيونات سوف تتجه نحو القطب السالب ( الكاثود) وتحدث لها عملية الاختزال، والأنيونات تتجه نحو القطب الموجب ( الانود ) وتحدث لها عملية الأكسدة.
على أن يكون الجهد المطبق من البطارية أو المولد أكبر من جهد التفاعل الكلي الذي يحدث في الخلية.
النتيجة : عند التحليل الكهربائي للمصاهير الالكتروليتية يكون:
عند الانود ( + ): الأنواع الموجودة والمتحمل أكسدتها هي الأنيونات.
عند الكاثود ( - ): الأنواع الموجودة والمحتمل اختزالها هي الكاتيونات.
التحليل الكهربائي للمحاليل الالكتروليتية:
عند إذابة مادة الكتروليتية في الماء فإنها إما أن تتأين أو تتفكك إلى كاتيونات وأنيونات حرة الحركة كما في المصهور وتحت تأثير فرق الجهد تتجه الايونات نحو الأقطاب المخالفة لها بالشحنة.
ومنه :
عند الانود ( +) الأنواع الموجودة والمحتمل أكسدتها هي:
1- الأنيونات 2- الماء 3- مادة القطب
وتحدث الأكسدة للنوع الأقل في جهد الاختزال أولا.
عند الكاثود ( - ) الأنواع الموجودة والمحتمل اختزالها هي:
1- الكاتيونات 2- الماء
ويحدث الاختزال للنوع الأكبر في جهد الاختزال أولا.
ومنه هنا لا بد من دراسة أكسدة الماء واختزال الماء.
ملاحظة1:
تكون حركة الايونات نحو الأقطاب المخالفة لها بالشحنة في المنطقة القريبة جدا من القطب اما الايونات الأبعد فتتحرك حركة عشوائية بتأثير الانتشار من التركيز الأعلى إلى التركيز الأقل.
ملاحظة 2 :
عند التحليل الكهربائي للمصاهير الالكتروليتية:
عند الانود لم يذكر احتمال أكسدة مادة القطب لأنه في مثل هذه الخلايا تكون مادة القطب خاملة ( أي ذات جهد اختزال مرتفع (مثل الجرافيت أو البلاتين).
ملاحظة 3 :
عند التحليل الكهربائي للمحاليل الالكتروليتية:
عند الكاثود لم يذكر احتمال اختزال مادة القطب لان مادة القطب لا بد أن تكون من فلز يوصل التيار الكهربائي ويكون عادة من الفلز والتي يصعب اختزاله فالاختزال يتم لكاتيونات الفلز.
أكسدة الماء :
تحدث عند الانود ( + ) إذا كان جهد اختزال الماء اقل من جهود الاختزال للأنواع الأخرى الموجودة:
ولحساب جهد اختزال التفاعل السابق يكتب:
[shr71=http://www.bytocom.com/golden/images/95.jpg]null[/shr71]
ومن معادلة نرنست وفي حالة الماء المقطر وعند درجة حرارة 25°C والضغط 1atm يكون تركيز كاتيون الهيدرونيوم
تركيز M= [H3O+]= 1×10-7 mol/L وجهد التفاعل القياسيE°= 1.229V
[shr71=http://www.bytocom.com/golden/images/96.jpg]null[/shr71]
[shr71=http://www.bytocom.com/golden/images/97.jpg]null[/shr71]
[shr71=http://www.bytocom.com/golden/images/98.jpg]null[/shr71]
[shr71=http://www.bytocom.com/golden/images/99.jpg]null[/shr71]
ومن معادلة نرنست نلاحظ أن جهد اختزال الماء في الوسط المتعادل اقل من جهد جهد اختزال الماء في الوسط الحمضي عندما يكون تركيز كاتيون الهيدرونيوم 1M أي أن أكسدة الماء في الوسط الحمضي أصعب من أكسدة الماء في الوسط المتعادل.
وعند أكسدة الماء يتصاعد غاز الأكسجين ويزداد تركيز كاتيون الهيدرونيوم وبالتالي يصبح الوسط حمضي .
اختزال الماء :
يحدث عند الكاثود إذا كان جهد اختزال الماء اكبر من جهود الاختزال للأنواع الأخرى الموجودة:
[shr71=http://www.bytocom.com/golden/images/100.jpg]null[/shr71]
أو
[shr71=http://www.bytocom.com/golden/images/101.jpg]null[/shr71]
ومن السابق فإن جهد الاختزال القياسي لكاتيون الهيدروجين :
[shr71=http://www.bytocom.com/golden/images/102.jpg]null[/shr71]
يساوي = الصفر في الشروط القياسية عند ضغط 1atm ودرجة حرارة 25 مئوية، وتركيز الهيدروجين = 1M
وفي الوسط المتعادل عندما يكون تركيز كاتيون الهيدرونيوم يساوي 1 × 10-7 مولار تصبح معادلة نرنست:
[shr71=http://www.bytocom.com/golden/images/103.jpg]null[/shr71]
[shr71=http://www.bytocom.com/golden/images/104.jpg]null[/shr71]
[shr71=http://www.bytocom.com/golden/images/105.jpg]null[/shr71]
ومنه نلاحظ أن اختزال الماء في الوسط المتعادل أسهل من اختزاله في الوسط القلوي لان جهد اختزاله في الوسط المتعادل اكبر ويساوي الصفر.
عند اختزال الماء :
يتصاعد غاز الهيدروجين ويزداد تركيز أنيون الهيدروكسيد أي أن الوسط يصبح قلوي .
العوامل التي تتوقف عليها أولوية تفاعلات الأكسدة والاختزال في المحاليل المائية :
1- جهد الاختزال القطبي للأنواع الموجودة كما تم مناقشته سابقا.
عند الكاثود توجد الكاتيونات والماء ويحدث الاختزال للنوع الأكبر في جهد الاختزال القطبي أولا .
ومثال على ذلك عند التحليل الكهربائي لأحد أملاح الصوديوم فإن الذي يختزل هو الماء لان جهد اختزاله اكبر وبالتالي لا يمكن الحصول على الفلزات التي جهود اختزالها أقل من الماء بالتحليل الكهربائي لمحلول أحد أملاحها .
وعند الانود توجد الأنيونات والماء ومادة القطب وتحدث الأكسدة للنوع الأقل في جهد الاختزال القطبي أولا .
مثال عند التحليل الكهربائي لمحلول كبريتات النحاس II باستخدام أقطاب من النحاس فإن الذي يتأكسد هو النحاس القطب (لان له اقل جهد اختزال ).
2- نوع مادة القطب:
عند تغير نوع مادة القطب قد تؤثر على جهود الاختزال القطبية للأنواع الأخرى مثال على ذلك عند التحليل الكهربائي لمحلول كلوريد الصوديوم المشبع باستخدام الجرافيت كاثود الذي يختزل هو الماء لكن باستخدام الزئبق كاثودا تختزل كاتيونات الصوديوم ويتكون مملغم الصوديوم وسوف تتم دراستها بالتفصيل في تطبيقات على الخلايا الالكتروليتية.
3 - التركيز:
من معادلة نرنست:
بزيادة تركيز الكاتيونات عند الكاثود فان قيمة جهد اختزاله تزداد وبالتالي فإن عملية اختزالها تصبح أسهل
وبزيادة تركيز الأنيونات عند الانود فإن قيمة جهد اختزالها تقل وبالتالي فإن عملية أكسدتها تصبح أسهل.
[shr71=http://www.bytocom.com/golden/images/106.jpg]null[/shr71]
4 - درجة الحرارة :
كما تمت مناقشته في اثر الحرارة على التوصيل الالكتروليتي فإنه بارتفاع درجة الحرارة ومن معادلة نرنست والتغير في الطاقة الحرة مما يقل من جهد التفاعل .
